Introdução ao MATLAB

Afonso Paiva ICMC-USP

O que é o MATLAB?

�  MATrix LABoratory é um software para computação científica

�  resolve numericamente problemas

matemáticos de forma rápida e eficiente �  possui uma família de pacotes específicos

(toolboxes): ◦  otimização ◦  redes neurais ◦  processamento de imagens ◦  simulação de sistemas, etc.

Anatomia da interface

workspace

histórico

diretórios

janela de comandos

Variáveis no MATLAB

�  existe somente um tipo de variável: ◦ matriz

�  o tipo matriz pode ser expresso como: ◦  escalar: matriz 1 x 1 ◦  vetor: matriz 1 x n ou n x 1 ◦  matriz propriamente: matriz m x n

Declaração de uma variável

�  variáveis são alocadas na memória ao serem declaradas �  nomes de variáveis são sensíveis a letras maiúsculas e

minúsculas �  vetores e matrizes devem ser declarados entre [ ] �  elementos de uma mesma linha numa matriz são

separados por espaço(s) ou vírgula �  ponto-e-vírgula(;) indica o final de uma linha de uma

matriz ou expressão

Exemplos

� Vetor linha: >> A = [1 2 3 4];

� Vetor coluna: >> B = [1; 2; 3; 4]; % ou >> B = A';

Exemplos

�  Matriz: >> A = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]

�  Matriz transposta: >> B = A'

1 2 34 5 67 8 9

A⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

1 4 72 5 83 6 9

B⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Operadores matemáticos

Símbolo Operação + adição - subtração * multiplicação / divisão ^ potenciação

Exemplos

>> A=[1 2; 3 4]; >> B=[5 6; 7 8]; >> C0 = A+B C0 =

6 8 10 12

>> C1 = A-B C1=

-4 -4 -4 -4

>> C2 = A*B C2=

19 22 43 50

>> C3 = A/B % = A*inv(B) C3=

3.0000 -2.0000 2.0000 -1.0000

1 23 4

A ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

5 67 8

B ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

Operadores ponto-a-ponto

Símbolo Operação .* multiplicação ./ divisão .^ potenciação

Exemplos

>> A=[1 2; 3 4]; >> B=[5 6; 7 8]; >> C0 = A.*B C0 =

5 12 21 32

>> C1 = A./B C1=

0.2000 0.3333 0.4286 0.5000

>> C2 = A.^B C2=

1 64 2187 65536

>> C3 = A.^3 C3=

1 8 27 64

1 23 4

A ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

5 67 8

B ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

Declaração de uma variável

�  v=[inicio:incremento:fim] �  v=[inicio:fim] % incremento=1 ou

�  v=inicio:incremento:fim �  v=inicio:fim �  Exemplo >> A = 1:9

A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Exemplos

>> v=[2:2:10]

v = 2 4 6 8 10

>> x=1:100; % ou linspace(1,100)

>> M = [1:1:3; 4:1:6; 7:1:9]

M = 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Manipulação de matrizes

�  acessando um elemento de uma matriz

>> A (3) ans= 5

�  referência deve ser sempre (linha, coluna)

[ ]51 3 7A=

1 2 34 57 8 9

6B⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

>> B (2,3)

ans= 6

Manipulação de matrizes

�  é possível incluir matrizes em matrizes

>>A = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]; % A é uma matriz 3X3 >> a = [10 20 30]; >> A = [A;a] % A é uma matriz 4X3

A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30

Manipulação de matrizes

�  podemos extrair uma linha da matriz >> linha = A(2,:)

linha = 4 5 6

1 2 34 5 67 8 9

A⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

1 2 34 5 67 8 9

A⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Manipulação de matrizes

�  e também acessar uma coluna da matriz >> coluna = A(:,1)

coluna = 1 4 7

1 2 34 5 67 8 9

A⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Manipulação de matrizes

�  podemos extrair submatrizes de uma matriz

>> B = A(1:2,2:3) % ou B = A([1 2],[2 3])

B = 2 3 5 6

1 2 34 5 67 8 9

A⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Manipulação de matrizes

�  podemos acessar diretamente elementos da diagonal

>>d =diag(A)

d = 1 5 9

Matrizes triangulares inferior

>> A = [1 2 3;4 5 6;7 8 9] >> L0 = tril(A) >> L1 = tril(A, 1) >> L2 = tril(A,-1) ⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

987654321

A

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

987054001

0L⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

987654021

1L⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

087004000

2L

Matrizes triangulares superior

>> A = [1 2 3;4 5 6;7 8 9] >> U0 = triu(A) >> U1 = triu(A, 1) >> U2 = triu(A,-1) ⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

987654321

A

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

900650321

0U⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

000600320

1U⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

980654321

2U

Dimensão de vetores e matrizes

>> A = [1 2 3 4; 5 6 7 8] A = 1 2 3 4 5 6 7 8

>> s = size(A) s = 2 4

>> l = size(A,1) % numero de linhas l = 2

>> c = size(A,2) % numero de colunas c = 4

Dimensão de vetores e matrizes

>> length(A) % retorna o numero de linhas ou de colunas ans = 4

>> v= 1:7; >> size(v) % número de colunas ans = 1 7

>> length(v) % retorna o comprimento do vetor ans = 7

Funções matriciais

Comando Descrição det(A) calcula o determinante da matriz

[V,D] = eig(A) determina os autovetores e autovalores de A

inv(A) calcula a inversa da matriz

rank(A) determina o posto linha ou coluna de A

max(A) retorna um vetor com o máximo de cada coluna A

min(A) retorna um vetor com o mínimo de cada coluna A

norm(A,1) calcula a norma coluna

norm(A, 'fro') calcula a norma de Frobenius

norm(A,inf) calcula a norma linha

Exemplos

>> A = [ 1 7 3; -6 2 1; 9 2 -2];

>> det(A) ans = -117

>> I = inv(A)

I = 0.0513 -0.1709 -0.0085 0.0256 0.2479 0.1624 0.2564 -0.5214 -0.3761

>> max(A)

ans = 9 7 3

>> norm(A,1) ans = 16

>> norm(A,inf)

ans = 13

>> norm(A,' fro ')

ans = 13.7477

Matrizes especiais

Comando Descrição A = rand(m,n) gera matriz com elementos aleatórios

A = eye(n) gera matriz identidade

A= ones(m,n) gera matriz com todos elementos iguais a 1

A= zeros(m,n) gera matriz com todos elementos iguais a 0

Funções matemáticas elementares

Função Descrição sin(x) seno cos(x) cosseno tan(x) tangente asin(x) arco-seno acos(x) arco-cosseno atan(x) arco-tangente exp(x) exponencial log(x) logaritmo natural

log10(x) logaritmo na base 10

Funções matemáticas elementares

Função Descrição abs(x) valor absoluto ceil(x) arredondamento na direção de mais infinito floor(x) arredondamento na direção de menos infinito round(x) arredondamento para o inteiro mais próximo sign(x) função sinal sqrt(x) raiz quadrada

gcd(x,y) máximo divisor comum dos inteiros x e y lcm(x,y) mínimo múltiplo comum dos inteiros x e y rem(x,y) resto da divisão de x por y

Variáveis especiais

Variável Valor ans variável padrão usada para resultados pi 3.14159 26535...

eps precisão de máquina inf infinito

NaN ou nan not a number realmin menor número de ponto flutuante realmax maior número de ponto flutuante

i, j unidade imaginária ( ) 1i j= = −

Workspace do MATLAB

� Os dados e variáveis criados na janela de comandos são armazenados no que é chamado de workspace.

Comandos Descrição who ou whos mostra os nomes das variáveis que

estão no workspace clear apaga as variáveis do workspace clc limpa a tela de comando

help comando fornece uma ajuda rápida sobre o comando

Formatos de números

Comando Exemplo Observações format short 50.833 5 dígitos

format long 50.83333333333334 16 dígitos

format short e 5.0833e+01 5 dígitos+expoente

format long e 5.083333333333334e+01 16 dígitos+expoente

format short g 50.833 melhor entre short - short e

format long g 50.83333333333333 melhor entre long - long e

format hex 40496aaaaaaaaaab hexadecimal

format bank 50.83 2 dígitos decimais

format rat 305/6 aproximação racional

Para mudar o padrão de formato de números no MATLAB, basta ir em File > Preferences.

Números complexos

�  Criando um número complexo >> z = 3+2*i

z = 3.0000 + 2.0000i

�  Parte real de z >> real(z)

ans = 3

�  Parte imaginária de z >> imag(z)

ans = 2

Números complexos

�  Módulo de z >> abs(z)

ans = 3.6056

�  Argumento de z >> angle(z)

ans = 0.5880

�  Complexo conjugado

>> conj(z) ans = 3.0000 - 2.0000i

� Dado o sistema linear

Como encontrar a solução x no MATLAB?

1

2

3

1 2 3 3664 5 6 . 8047 8 0 351

xxx

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥=⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Sistemas lineares

A x b⋅ =

Sistemas lineares

�  Através do cálculo explícito da inversa de A:

>> A = [ 1 2 3; 4 5 6; 7 8 0]; >> det(A) %primeiro vamos ver se o sistema tem solução única

ans = 27

>> b = [366; 804;351];

>> x = inv(A)*b x = 25.0000 22.0000 99.0000

1x A b−= ⋅

Sistemas lineares

�  Outra maneira é utilizar a decomposição LU, representada no MATLAB pelo operador de divisão à esquerda (\):

>> x = A\b x = 25.0000 22.0000 99.0000

Rotinas de tempo computacional

Calculando o tempo: tic e toc

>> A = rand(100); >> b = rand(100,1); >> tic, x = inv(A)*b; t1 = toc; >> tic, x = A\b; t2 = toc;

Polinômios

� No MATLAB , um polinômio é representado por um vetor linha contendo seus coeficientes em ordem decrescente.

�  Exemplo: >> p = [1 -12 0 25 116];

4 312 25 116x x x− + +

Polinômios

�  Cálculo das raízes de p: >> r = roots(p)

r = 11.7473 2.7028 -1.2251 + 1.4672i -1.2251 - 1.4672i

�  Dadas as raízes, podemos construir o polinômio

associado:

>> r=[-2;2]; >> pp = poly(r)

pp = 1 0 -4

Polinômios

�  Podemos derivar polinômio: >> p=[1 -7 3 1]; >> pd = polyder(p) pd = 3 -14 3

�  Multiplicando p e pd: >> conv(p,pd) % na divisão usa-se deconv(p,pd) ans = 3 -35 110 -60 -5 -3

Polinômios

� Ajuste de curvas: >> x=0:.1*pi:2*pi; >> x = x'; >> y = sin(x); >> p = polyfit(x,y,4) % aproxima o seno por um polinômio de grau

4

p = -0.0000 0.0886 -0.8347 1.7861 -0.1192

� Avaliando o polinômio p:

>> f = polyval(p,x); >> plot(x, y, 'o', x, f, '-');

Operadores relacionais

Símbolo Operador == igual ~= diferente > maior < menor

>= maior ou igual <= menor ou igual

Operadores lógicos

Símbolo Operador && E || OU & E (escalar) | OU (escalar) ~ Não

xor OU exclusivo

Exemplos

>> 2 + 2 == 4 ans = 1 % verdadeiro

>> 10 > 100

ans = 0 % falso

>> A = [1 2; 3 4]; >> B = 2*ones(2); >> A == B

ans = 0 1 0 0

>> C = [1 2 3; 4 5 6] C = 1 2 3 4 5 6

>> C >= 4

ans = 0 0 0 1 1 1

Exemplos

>>x = eye(2) x = 1 0 0 1

>>y = [1 1; 0 0]

y = 1 1 0 0

>> x & y

ans = 1 0 0 0

>> x | y

ans = 1 1 0 1

>> xor(x,y)

ans = 0 1 0 1

Importando e Exportando Dados

�  save: salva dados em arquivo (.mat)

>> a=1; >> A= ones(5); >> save meus_dados A a

�  load: carrega dados de um arquivo

>> load meus_dados

Programação em MATLAB

�  programas muito mais simples: escrita mais rápida e com menos erros

�  versatilidade, mais fácil de adaptar a diferentes tipos de dados

�  agiliza os comandos mais digitados �  é uma linguagem interpretada �  pode ser criada utilizando qualquer editor de texto

�  possui interface com C/C++

Arquivos .m

�  podemos criar novas funções ou scripts � MATLAB possui um editor próprio e um

debugger �  comentários começam por % �  ao se criar uma função ou script ela dever

ser definida no path

Arquivos .m

Editor

Arquivos .m

�  scripts : executam os argumentos diretamente, automatizando uma série de comandos

�  função : argumentos podem ser passados para a função, havendo uma manipulação de variáveis

function [res1,res2,...] = nome_da_função (arg1,arg2,...) % comentário para help lista de procedimentos da função

Arquivos .m

ATENÇÃO!!!

�  Um script pode chamar uma função. �  Uma função pode chamar outra função. �  Para isso é necessário que os arquivos .m

estejam no mesmo diretório. �  Não use “espaços” no nome da função, “_” é

uma boa opção. �  A função será salva em um arquivo e o nome

do arquivo deve ter o mesmo nome dado à função 'nome_func.m’.

�  O script pode ter qualquer nome. �  Evite usar nomes de funções/scripts já

existentes no MATLAB.

Controladores de fluxo

�  if : cria caminhos alternativo no programa if ( condição1 ) instruções1 elseif ( condição2 ) instruções2 else instruções3 end

Controladores de fluxo

�  Exemplo com if: x=rand(1); y=rand(1); if (x < y) disp('y eh maior do que x') else disp('x eh maior do que y') end

Controladores de fluxo

� Mais um exemplo com if: x=rand(1); if ( ( x>=1 ) && ( x<=3 ) ) disp('x estah entre 1 e 3') end

Controladores de fluxo

�  for : permite que um comando ou um grupo de comandos se repitam

for variável = expressão instruções end

Controladores de fluxo

�  Exemplo com for:

n=3; A = zeros(n); for i = 1:n A(i,i) = 2*i; end

Controladores de fluxo

�  Exemplo usando if e for nrows = 10; % Alocando a matriz ncols = 10; myData = ones(nrows, ncols);

% Preencher a matriz for r = 1:nrows for c = 1:ncols if r == c myData(r,c) = 2; elseif abs(r - c) == 1 myData(r,c) = -1; else myData(r,c) = 0; end end end

myData % Ver a matriz

Controladores de fluxo

� while : permite que um ou mais comandos sejam repetidos enquanto a expressão de controle for verdadeira

while ( condição ) instruções end

Controladores de fluxo

�  Exemplo com while: i=0; while ( sqrt(i) < 5 ) i = i+1 end

Controladores de fluxo

�  switch : Permite ramificar alguns casos especiais de modo mais claro do que o if

switch ( expressão do switch )

case expressão caso_1 instruções case expressão caso_2 instruções case expressão caso_n instruções otherwise % opcional instruções end

Funções auxiliares no controle de fluxo

�  input –recebe dados através do teclado, que podem ser ou não armazenados em uma variável

�  break – encerra um laço mais interno controlado pelo comando for

�  pause – pára a execução do programa até

que uma nova tecla seja pressionada

Controladores de fluxo

�  Exemplo com switch meu_numero = input('Enter a number:'); switch meu_numero case -1 disp('negative one'); case 0 disp('zero'); case 1 disp('positive one'); otherwise disp('other value'); end

Scripts

�  Exemplo de hipotenusa.m: % Calcula a hipotenusa de um triangulo retângulo

clc c1=input('Cateto 1 = '); c2=input('Cateto 2 = '); hipotenusa = sqrt( c1^2 + c2^2)

Funções

�  Exemplo de fatorial.m: function f = fatorial(n) % Calcula o fatorial de n f=1; for i=1:n f = f*i; end

Funções

Salvar o arquivo com o mesmo nome da função e extensão .m

Funções

�  Defina duas funções em um arquivo chamado stat2.m, onde a primeria função chama a segunda. function [m,s] = stat2(x) n = length(x); m = media(x,n); s = sqrt(sum((x-m).^2/n)); end

function m = media(x,n) m = sum(x)/n; end

�  Função media é uma função local.

>> values = [12.7, 45.4, 98.9, 26.6, 53.1]; >> [media,desvio_padrao] = stat2(values)

media = 47.3400 desvio_padrao = 29.4124

Repositório de arquivos .m

� MATLAB Central http://www.mathworks.com/matlabcentral

Gráficos no MATLAB

�  existem muitas funções para gerar

gráficos 2D e 3D

�  os gráficos podem ser armazenados em arquivos, coloridos ou em preto e branco

Gráficos 2D

�  Pode-se desenhar gráficos simples como y = f(x) >> x=linspace(0,2*pi,30); >> y1 = cos(x); >> y2 = sin(x); >> hold on >> plot(x,y1, 'r-s'); >> plot(x,y2, 'g-*'); >> grid >> xlabel('eixo x'); % legenda no eixo horizontal >> ylabel('eixo y'); % legenda no eixo vertical >> title('Grafico do seno e do cosseno'); % título do gráfico >> legend ('sen(x) ', 'cos(x) '); % legenda >> hold off

Gráficos 2D

�  Pode-se desenhar gráficos simples como y = f(x) >> x=linspace(0,2*pi,30); >> y1 = cos(x); >> y2 = sin(x); >> hold on >> plot(x,y1,ꞌr-sꞌ); >> plot(x,y2,ꞌg-*ꞌ); >> grid >> xlabel(ꞌeixo xꞌ); % legenda no eixo horizontal >> ylabel(ꞌeixo yꞌ); % legenda no eixo vertical >> title(ꞌGrafico do seno e do cossenoꞌ); % título do gráfico >> legend (ꞌsen(x) ꞌ, ꞌcos(x) ꞌ); % legenda >> hold off

Gráficos 2D

�  Dados os vetores x e y, o gráfico pode ser construído

ligando-se os pontos (x(i),y(i)):

>> x = [1.5 2.7 3.9 4.6 5.7 7.3 9.4]; >> y = [2.5 3.2 4.3 8.1 4.5 2.8 3.1]; >> plot(x,y); >> box off % retira a caixa do gráfico

�  Gráfico de torta >> pie(x,x==max(x));

Características dos gráficos

Símbolo Cor r vermelho g verde b azul c ciano m magenta y amarelo k preto w branco

Características dos gráficos

Símbolo Marcador . ponto o círculo x x + + * estrela s quadrado d losango ^ triângulo p pentagrama h hexagrama

Características dos gráficos

Símbolo Tipo de linha - linha contínua : linha pontilhada -. traços e pontos -- linha tracejada

Gráficos 3D

Comando Descrição plot3 curvas 3d

surf, surfc, surfl superfícies 3d mesh, meshc, meshz linhas em perspectiva 3d

contour curvas de níveis

Gráficos 3D

� Curvas no espaço >> t = 0:pi/50:10*pi; >> plot3(sin(t),cos(t),t)

�  Faixas no espaço >> x=linspace(0,2*pi,30); >> ribbon(x,sin(x))

Gráficos 3D

�  Superfícies

>> [X,Y] =meshgrid(-8:0.5:8,-8:0.5:8); >> r =sqrt(X.^2+Y.^2)+eps; >> Z = sin(r)./r; >> subplot(221) >> mesh(X,Y,Z); >> subplot(222) >> surf(X,Y,Z); >> subplot(223) >> hold on >> mesh(X,Y,Z); >> meshc(X,Y,Z) >> hold off >> subplot(224) >> contour(X,Y,Z)

Erros de arredondamento

�  Considere a função e sua expansão: �  Avalie estas funções em 401 pontos

equidistantes no intervalo:

�  O que ocorre ao plotar os grácos?

7)1()( −= xxf

17213535217)( 234567 −+−+−+−= xxxxxxxxf

]100.21,100.21[ 88 −− ×−×−=I

Erros de arredondamento

Erros de arredondamento

Erros de arredondamento

Help MATLAB on-line

�  http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/

techdoc/ref/ref.shtml

�  http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/techdoc/matlab.shtml